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문제 정의
- 시스템 내의 잡음은 주로 그라운드의 불안정 현상, 데이터 라인의 고속화, 임피던스 부정합, 불안정한 전원 등으로 인한 불요파 발생 등의 여러 원인들이 복합적으로 나타나 분석하기 어려운 형태로 나타난다. 본 논문에서는 무선 비디오 스트림 시스템에 노이즈 발생원인 및 분석을 통하여 노이즈 개선 방안을 제시하여 성능을 최적화 하였다.
- 무선 비디오 스트림 시스템의 잡음 주파수 대역을 분석하여 기능 블록에 따른 발생원을 찾아 분류하였고, 그에 따른 잡음 원인 분석과 개선을 위한 대책을 세웠다. 본 논문에서 잡음 주파수 대역을 분류하여 개선하는 방법을 구체적으로 제시하였다.
제안 방법
- 본 논문에서 측정한 기기는 B급 기기로 분류 하여 기기를 시험 하였다. 시험은 3m 챔버에서 측정하였고, 허용 한도치는 30 ~ 230[MHz]대역 에서는 40[dBuV/m]이고, 230 ~ 1000[MHz]대역에서는 47[dBuV/m]를 적용하여 측정 하였다.
- 본 논문에서 측정한 기기는 B급 기기로 분류 하여 기기를 시험 하였다. 시험은 3m 챔버에서 측정하였고, 허용 한도치는 30 ~ 230[MHz]대역 에서는 40[dBuV/m]이고, 230 ~ 1000[MHz]대역에서는 47[dBuV/m]를 적용하여 측정 하였다. 3m 챔버는 간이 시험용 측정 챔버로서 여기서 허용기준치40[dBuV/m]과 47[dBuV/m]를 통과하게 되면 실제 측정 챔버인 10m 챔버에서의 규격을 통과할 수 있다.
- 무선 비디오 스트림 시스템의 잡음 주파수 대역의 분포를 근거로 하여 다음과 같은 불안정 현상이 발생한 것을 분석 하였다.
- 무선 비디오 스트림 시스템의 잡음 주파수 대역을 분석하여 기능 블록에 따른 발생원을 찾아 분류하였고, 그에 따른 잡음 원인 분석과 개선을 위한 대책을 세웠다. 본 논문에서 잡음 주파수 대역을 분류하여 개선하는 방법을 구체적으로 제시하였다.
- 내층 배치의 효과를 알기 위해 Ansys사의 HFSS를 이용하여 데이터라인의 3D구조 해석을 통해 마이크로스트립 라인 구조와 스트립 구조 라인의 s-parameter를 비교하여 반사 손실 특성(S11)을 확인하였다.
- 해석 방법은 PCB에 사용된 길이에 따라 라인을 배치하였고, 라인 간 간격은 0.25mm, 라인의 폭은 0.13mm의 마이크로 스트립 라인 구조를 취하여 각 라인별 반사 손실 특성을 확인하였고 차폐 효과를 알기위해 스트립라인 구조를 이용하여 해석하였다.
- HDMI 데이터 라인들 내층으로 배선하여 차폐효과가 발생할 수 있도록 하여 잡음원의 방사를 최소화 하였다.
- 472MHz가 잡음으로 분석되었다. 위의 주파수 분석을 위해서 다음과 같이 연결하여 USB 전원 라인의 임피던스를 측정하였다.
- 200MHz 이상의 고주파 대역이 임피던스의 불균일성을 초래하여 과전류 소모가 되며, EMI로 방사되게 된다. 이를 개선하기 위해 USB 전원 배선에 Murata사의 power bead 470[ohm]과 10pF 을 연결하여 저역 통과 대역 필터 형태로 구현하여 개선하였다. 디커플링 캐패시터를 여러 개 사용하는 방법은 저주파수 대역에서의 잡음을 개선하지만 잡음으로 분석된 고주파수대역이 저감이 되지 않기 때문에 저역 통과 필터를 설계를 하여 시스템내의 USB 전원 라인에 삽입을 하였다.
- 수백KHz의 저 주파수 대역을 통과 대역으로 하고 수백MHz 이상의 대역 저지 특성을 각각 나누어서 특성 결과를 확인하였다.
- 저지대역은 300MHz ~ 1GHz 대역으로 -30dB ~ -50dB의 대역 저지 특성을 갖게 설계하였다.
- 무선 비디오 스트림 시스템의 EMI 잡음을 분석하여 각 기능 블록 별로 개선책을 적용하여 다음과 같이 PCB를 제작하였다.
- 본 논문에서는 무선 비디오 스트림 시스템을 구현하여, 시스템 내에서 발생되는 EMI 잡음을 챔버에서 스캔하여 전자파 장해방지 기준에 제시된 허용한도치 30 ~ 230[MHz]는 40[dBuV/m]이고, 230 ~ 1000[MHz]는 47[dBuV/m]를 적용하여 측정 하였다. 측정 결과를 토대로 각 기능 블록 별로 발생되는 잡음 주파수 대역을 분석 후 USB 전원에서 케이블간 임피던스 측정과 HDMI RGB 데이터 라인의 라인에 따른 구조 해석을 통하여 스트립 라인 구조의 차폐효과를 설명하였고, 그라운드 최적화, 고속 통신 라인은 내층 배선, 비드를 이용한 저역 통과 대역 필터 설계를 통해서 EMI 잡음을 개선하였다.
대상 데이터
- 무선 비디오 스트림 시스템에서 사용된 PCB의 구조는 4층 기판을 이용하였고 Fr-4(εr = 4.2 ~ 4.5) 기판을 사용하였다.
- 설계된 저역 통과 필터의 대역 통과 특성은 2MHz 이하이고, 저지특성은 4MHz 대역이다.
이론/모형
- ADS(Advanced Design System) 회로시뮬레이션을 위해 Murata사 power bead를 이용하였고 제조사에서 제공한 S-parameter를 이용하여 저역 통과 대역 필터를 설계하였다,
성능/효과
- 시스템이 전체적으로 전류 소모특성이 불안정하기 때문에 30MHz에서 1GHz까지 전체 대역에서 30[dBuV/m] ~ 40dB[dBuV/m] 정도의 레벨로 높게 나타나게 된다. 따라서, 그라운드 면적이 넓어질 수 있도록 비아의 보강 PCB 내에 떨어져 있는 그라운드 간 연결 등의 PCB 아트웍을 수정하였고, 전류 소모특성과 각 기능의 특성을 최적화하여 그라운드의 안정성을 높였다.
- 스트립 라인 구조가 0.1 ~ 1.5GHz에 걸쳐서 마이크로 스트립 라인 대비 약 5dB 이상의 반사손실이 향상되었고 전 대역에 걸쳐서 약 11dB 이하의 반사손실 값을 유지하고 주 잡음 발생 대역인 200MHz ~ 800MHz 사이의 반사 손실이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
- 전체적인 잡음 레벨은 시스템의 각 기능을 최적화하여 그라운드를 안정화 하여 20[dBuV/m] ~ 30[dBuV/m]로 약10 ~ 20[dB]정도가 저감되었다. 각 기능별로 분석된 잡음 주파수 대역에 대하여 잡음 레벨을 개선하여 규제치 이하로 저감하였다.
- 전체적인 잡음 레벨은 시스템의 각 기능을 최적화하여 그라운드를 안정화 하여 20[dBuV/m] ~ 30[dBuV/m]로 약10 ~ 20[dB]정도가 저감되었다. 각 기능별로 분석된 잡음 주파수 대역에 대하여 잡음 레벨을 개선하여 규제치 이하로 저감하였다.
- 본 논문에서는 무선 비디오 스트림 시스템을 구현하여, 시스템 내에서 발생되는 EMI 잡음을 챔버에서 스캔하여 전자파 장해방지 기준에 제시된 허용한도치 30 ~ 230[MHz]는 40[dBuV/m]이고, 230 ~ 1000[MHz]는 47[dBuV/m]를 적용하여 측정 하였다. 측정 결과를 토대로 각 기능 블록 별로 발생되는 잡음 주파수 대역을 분석 후 USB 전원에서 케이블간 임피던스 측정과 HDMI RGB 데이터 라인의 라인에 따른 구조 해석을 통하여 스트립 라인 구조의 차폐효과를 설명하였고, 그라운드 최적화, 고속 통신 라인은 내층 배선, 비드를 이용한 저역 통과 대역 필터 설계를 통해서 EMI 잡음을 개선하였다. 개선 후 결과는 개선 전과 비교하여 약 2 ~ 20[dB] 마진을 확보하며 잡음 개선을 하여, 우수한 EMI 잡음 개선 특성을 보였다.
- 측정 결과를 토대로 각 기능 블록 별로 발생되는 잡음 주파수 대역을 분석 후 USB 전원에서 케이블간 임피던스 측정과 HDMI RGB 데이터 라인의 라인에 따른 구조 해석을 통하여 스트립 라인 구조의 차폐효과를 설명하였고, 그라운드 최적화, 고속 통신 라인은 내층 배선, 비드를 이용한 저역 통과 대역 필터 설계를 통해서 EMI 잡음을 개선하였다. 개선 후 결과는 개선 전과 비교하여 약 2 ~ 20[dB] 마진을 확보하며 잡음 개선을 하여, 우수한 EMI 잡음 개선 특성을 보였다. 추후 HDMI, USB등의 기능 블록을 가진 제품들에 대하여 비슷한 잡음 주파수 대역 저감 대책에 많은 도움을 줄 것으로 판단된다.
후속연구
- 개선 후 결과는 개선 전과 비교하여 약 2 ~ 20[dB] 마진을 확보하며 잡음 개선을 하여, 우수한 EMI 잡음 개선 특성을 보였다. 추후 HDMI, USB등의 기능 블록을 가진 제품들에 대하여 비슷한 잡음 주파수 대역 저감 대책에 많은 도움을 줄 것으로 판단된다.
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